虛擬現實技術在民航模擬飛行訓練中的應用

摘要：近年來，隨著技術的快速發展，虛擬現實（VR）技術已被廣泛應用于多個領域，對民航模擬飛行訓練也產生一定影響。虛擬現實技術能夠提供沉浸式的訓練環境，模擬真實的飛行條件，改善飛行員的訓練效果，提高應對復雜飛行情況的能力。基于此，本文首先對虛擬現實技術的優勢進行介紹，然后提出基于虛擬現實技術創建民航模擬飛行訓練系統，對系統組成結構、開發設計要點與模擬訓練效果進行探究，以供參考。

關鍵詞：虛擬現實技術；訓練；模擬；飛行

在民航行業，飛行員的培訓和技能是保證航空安全的重要因素。傳統的飛行訓練方式往往需要高昂的成本和復雜的邏輯安排，而引入虛擬現實技術，可有效規避傳統飛行訓練中的不足。通過應用虛擬現實技術，可創造真實的飛行模擬環境，據此開展飛行訓練，不僅能夠大幅降低培訓成本，而且能在安全的條件下讓飛行員面對各種飛行挑戰，使得飛行員能夠盡快掌握應用新技術和新設備，提高飛行員的總體技能水平。因此，深入研究虛擬現實技術在民航模擬飛行訓練中的應用，具有重要的理論意義和實際價值。

虛擬現實技術對培訓教學的影響

虛擬具有高度沉浸和互動性技術優勢，應用于民航模擬飛行訓練中，可提升培訓的質量和效率。利用虛擬現實技術（VR），可創建逼真的飛行環境，使飛行員能夠在完全控制的模擬條件下練習，從而安全模擬各種飛行情境。從成本效率和安全性考慮，與傳統飛行訓練相比，虛擬現實技術（VR）可以提供一種成本較低、風險更小的訓練方案。

基于虛擬現實技術的民航模擬飛行訓練系統總體架構

該飛行模擬訓練系統設計用于增強飛行員的操作流程、技術熟練度、戰術理解和應對緊急狀況的能力。飛行訓練期間，飛行員可以利用頭戴式顯示器實時查看真實的駕駛艙互動以及外部虛擬環境，提供全面的視覺體驗。此外，訓練控制臺允許教練配置模擬場景并實時監控訓練過程，包括設置訓練任務、調整環境變量、監視訓練進展和回顧訓練情況。

此飛行模擬系統由多個核心組件組成，包括混合現實視景管理模塊、座艙數據模塊、系統仿真模塊、教員控制臺模塊以及網絡通信模塊。其中，混合現實視景管理模塊作為系統的中心，包括虛擬場景子系統、座艙蓋視口子系統及混合現實管理子系統，系統的完整結構見圖1。

座艙數據模塊

駕駛艙信息模塊主要負責搜集駕駛艙內硬件的數據信息，并通過網絡傳輸至飛行模擬訓練系統。在此系統中，數據分析模塊對接收的數據進行詳細分析，整合并傳遞至混合現實視覺管理模塊。該模塊進一步分析這些數據，調整和優化模擬視覺輸出，確保訓練的實時性和準確性。

駕駛艙的儀表展示通過虛擬現實技術實現，優于傳統攝像頭捕捉方式，因為虛擬現實技術（VR）提供更高的圖像清晰度和更新率，使得動態顯示更流暢且無光學畸變。儀表系統由三個獨立的虛幻4模型組成，每個模型都可以獨立調節以適應混合現實環境。系統通過高級圖像識別技術精確捕捉駕駛艙的實際位置，并調整儀表的角度，確保用戶視線與顯示屏幕保持一致。

儀表界面在該系統中是通過虛幻引擎的虛幻示意圖形界面設計器（UMG）模塊進行設計和實現的。虛幻示意圖形界面設計器（UMG）一個圖形界面制作工具，支持開發者通過視覺元素構建和配置用戶界面。該模塊內置多種控件如文本顯示、進度條和雷達圖，所有控件通過預設的函數來實現，使得用戶可輕松創建復雜的儀表顯示界面。在虛幻示意圖形界面設計器（UMG）中，界面的布局是在設計器選項卡中完成，而圖表選項卡則處理控件背后的邏輯功能，因此，界面能夠動態地展示和響應用戶操作。

混合現實視景管理模塊

本系統的關鍵組成部分是基于VR智能眼鏡HTC VIVE Pro頭盔和虛幻4引擎（UE4）開發的混合現實視景管理模塊。該模塊通過高級視頻透視技術實現了虛擬場景與實際駕駛艙的視覺融合。系統利用VR智能眼鏡HTC VIVE Pro的外部攝像頭接口進行虛擬現實與混合現實之間的切換，通過在虛幻4引擎（UE4）中編程實現對HTC攝像頭接口的調用。為了模擬真實的駕駛艙外觀，根據實際駕駛艙的Catia模型使用3dsMAX制作比例1：1的虛擬艙蓋模型，并導入虛幻4引擎（UE4）。通過精確的虛實配準技術，系統調整實際駕駛艙與虛擬艙蓋的相對位置，使飛行員能夠通過頭盔內看到準確的駕駛艙內外視圖。系統原理如圖2所示。

1.座艙蓋視口模塊

在本飛行模擬系統中，駕駛艙視窗，作為虛擬場景的展示界面，通過使用虛幻4引擎的場景捕捉功能來實現虛擬畫面的捕獲。該視窗的模型，基于實際駕駛艙的詳細設計文件制作而成，具有與真實駕駛艙外觀一致的精確幾何形狀，增強飛行訓練的沉浸感和真實感。

2.混合現實管理模塊

系統首先構建一個基于場景捕獲2D類的藍圖，藍圖配備一個專用的圖像捕捉相機，能夠將虛擬環境中的場景渲染到一個動態更新的目標渲染紋理上。這個渲染紋理隨后被用作創建材質的基礎，但考慮到場景的動態變化，這種基礎材質需要頻繁更新，故此采用虛幻引擎的動態材質系統進行管理。動態材質通過參數化處理使得紋理調整更加靈活。此外，使用座艙蓋視口的Actor藍圖，從3dsMAX中導入駕駛艙蓋模型，并放在藍圖中。在此藍圖中，動態材質實例被創建并應用到駕駛艙蓋模型上，使得模型可以實時反映背后的目標渲染紋理變化，通過視窗能準確顯示出虛擬場景。

在座艙蓋視口中，虛擬環境VREnvironment的渲染主要通過混合現實管理CockpitCoverManager藍圖實現。該藍圖中包含CreatVRModeCCMID的函數，使用CreateDynamicMaterialInstance命令來生成CC-MID材質實例。此函數將接受三個關鍵參數：CCCaptureVRWorld，即從飛行員頭盔攝像頭捕獲的實時圖像；顯示屏幕的尺寸；新生成的材質實例CC-MID。

定義名為UpdateRenderTexture的功能，該功能通過CreateRenderTarget2D命令創建2D貼圖，用于存儲和展示來自飛行員頭盔攝像頭的實時圖像CCCapture-VRWorld。該貼圖隨后被設置為材質實例CC-MID的紋理源，用于實時更新顯示內容。

對SceneCapture2D組件進行詳細的參數調整，優化用戶的視覺體驗。改變輸出畫面的尺寸和調整相機的視場角，修改曝光參數來模擬不同光照條件。此外，應用DirtMask效果在相機前模擬雨滴效果，并利用虛幻引擎的PostProcessVolume對視覺參數進行調整，增強視覺效果的真實性和細節層次。

3.VREnviroment模塊

VREnvironment模塊是模擬器中的視景模塊，該模塊的操作流程涵蓋地形數據的采集與預處理、地形數據的UE4導入以及基于訓練需求的地形關卡劃分，可確保虛擬訓練環境中地形的準確性和視覺質量，滿足各種訓練場景的需求。

使用精確的地形數據作為飛行模擬的基礎，提升訓練的真實性和效果。該系統通過地圖下載所需的地形測繪和衛星高程數據，之后進行格式轉換，通過真實地形三維建模軟件進行必要調整，以適配虛幻引擎4（UE4）的要求。為了處理大規模地形所帶來的效率問題，系統采用將地形細分成多個較小的模塊的方法，使用稱為世界構建的技術來流式加載各個部分。系統可根據地形的重要性和需要的細節度進行劃分，如機場周邊地區會劃分為較小的模塊（大約1.875千米×1.875千米），而更為寬廣的地區則設為較大的模塊（約15千米×15千米）。系統中還配置自動加載的地形邊界，保證在模擬器進入新區域時能無縫加載周邊地形。

系統運行效果

在混合現實飛行模擬訓練系統的實際運行中，教員控制臺展示出詳盡的視覺效果。飛行訓練中，飛行員通過頭盔設備能全面檢視外部虛擬環境及駕駛艙內部的詳細設備布置，提升視覺的連貫性和高沉浸性，而且使飛行員能夠在模擬環境中輕松識別和操作各種設備，優化訓練過程的操作性和互動性。

結語

綜上所述，本文詳細探究虛擬現實技術在民航模擬飛行訓練中的應用，虛擬現實技術能有效增強飛行員的操作技能和應急響應能力，基于虛擬現實技術打造訓練環境，成本投入小，安全性高，可有效保障民航模擬飛行訓練效果。隨著虛擬現實技術的持續發展創新，其在民航飛行訓練領域的作用將越來越突出，為飛行安全和效率提供更加堅實的技術保障。